计算室在五氧化二钽晶格结构研究取得重要进展
(文/杨勇)
五氧化二钽 (Ta2O5) 是一种用途广泛的宽带隙半导体材料。例如，由于具有很高的介电常数，它是替代二氧化硅 (SiO2) 作为新一代电子器件的氧化物绝缘层的备选材料之一。它具有很高的光折射率，因此作为涂层材料被应用在常见的光学器件 (例如相机镜头) 以及一些超高精度的测量仪器上，例如著名的激光干涉引力波天文台 (LIGO)。在LIGO的两个互相垂直的激光干涉长臂之中，反射镜面的材料主要是由相互叠加的SiO2和Ta2O5薄膜层构成。此外，Ta2O5还可以作为抗腐蚀的保护膜，以及电催化和光催化材料。
半个多世纪前，人们在实验上已经发现，在大约1320°C的时候，Ta2O5发生一个结构相变，从低温相 (L-Ta2O5) 转化为高温相 (H-Ta2O5)。从那以后，尽管有大量的研究工作投入到Ta2O5的低温相和高温相的研究之中，其晶格结构仍然存在着争议和不确定性。由于高品质的Ta2O5单晶材料生长的困难，由X射线衍射 (XRD) 提供的原子尺度的结构信息非常有限。事实上，人们发现，实验上获得的Ta2O5的晶格结构非常依赖于生长环境 (温度、压力等) 以及合成方法。以低温相为例，人们已经发现/报道了一系列Ta2O5的晶体相和结构模型: 如LSR, LGMR, βAL, βR, λ, δ, B, Z，等等。先前的第一性原理计算表明，这些已知的结构相当中，B-Ta2O5在能量上最稳定，λ次之，第三稳定是LSR相。
尽管已经有如此之多的研究工作， Ta2O5的基态晶格结构依然没有定论，众说纷纭，莫衷一是。在高压下合成的B-Ta2O5，是此前报道的最稳定晶体相。有没有可能存在新的基态结构相？最近，固体所计算室杨勇研究员和日本东北大学Kawazoe教授合作，对这一问题作了肯定的回答。基于第一性原理计算结合结构搜索的进化算法 (evolutionary algorithm)，杨勇研究员和Kawazoe教授在理论上预测了Ta2O5的一种新的低温相 (命名为γ-Ta2O5)。计算表明，这种单胞为三斜晶系的低温相比已报道的任何一种结构相都要稳定。在外加压力之下，这种新的结构相可以发生结构相变，向亚稳态的B-Ta2O5以及λ-Ta2O5转变。另外，这种新的低温相在局域原子结构、声子谱等方面特征和先前实验报道的结构有诸多相似之处。主要的不同点在于晶格的长程序。进一步的分析发现，先前在大量的XRD实验中观察到的、在~ 3.8 Å附近的超强衍射峰，实际上对应于Ta-Ta径向分布函数的第二半径。
论文在线发表于美国物理学会的材料类期刊Physical Review Materials。论文的两位审稿人对这一工作给予了积极评价。第一位审稿人认为“这是一篇有趣的论文，尝试解决一个引人关注的材料中有趣的结构问题”，“研究结果是有趣的，预测了一种比已知所有晶体相都稳定的新奇结构相，这必将推动实验上的研究”；第二位审稿人评论说“这篇论文报道了对Ta2O5新的基态结构的理论预测。这一发现显然是有趣的，倘若能得到实验的进一步证实”。
以上研究得到了国家自然科学基金 (项目编号: 11474285) 的资助。
论文链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevMaterials.2.034602
图1. (a)-(e): Ta2O5的几个典型的已知结构相；(f) 理论预测的γ相。
图2. B, λ, γ-Ta2O5的能量-体积函数关系图以及结构相变示意 (虚线)。
